Einbindung von thermischen Energiespeichern in Anlagen mit Kraft-Wärme-(Kälte)-Kopplung

Kurzfassung

Bisherige Forschungsprojekte am DLR zur Integration von Hochtemperatur-Wärmespeichern in der Kraftwerkstechnik befassten sich vornehmlich mit solar-thermischen Kraftwerken. Inhalt der vorliegenden Arbeit war es, weitere Einsatz-möglichkeiten für thermische Speicher, insbesondere in der Kraft-Wärme-Kopplung, zu identifizieren und unter technischen sowie wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu bewerten. Hierzu wurden in MATLAB Simulationsmodelle von Arbeitsmaschinen und Wärmeverbrauchern entwickelt, die sich zu Anlagensystemen zusammenschal-ten lassen. Durch die modulare Programmstruktur war es möglich, verschiedene An-lagenschaltungen mit unterschiedlichen Anforderungen an den Speicher darstellen. Daraus ließen sich Potenziale zur Effizienzsteigerung abschätzen, die sich aus der Integration eines Speichers in dem betreffenden Anlagenkonzept ergeben. Bei den entwickelten Modellen von Arbeitsmaschinen handelte es sich um ein Dieselaggregat, das auf dem Diesel-Vergleichsprozess basiert, und um einen Organic Rankine Cycle (ORC). Um Nutzungsmöglichkeiten von thermischen Ener-giespeichern in der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung aufzuzeigen, wurden zudem Mo-delle thermisch angetriebener Kältemaschinen entwickelt. Dabei handelte es sich um eine Dampfstrahlkältemaschine sowie um ein- und zweistufige Absorptionskältema-schinen. Auf dieser Basis wurden folgende Anlagenschaltungen untersucht: • Verstromung zyklisch anfallender Abwärme in einer ORC-Anlage • Kälteerzeugung durch Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung • Kalksandstein-Härtung in Autoklaven Im betrachteten Anlagensystem zur Verstromung von zyklisch anfallender Abwärme soll der Wärmespeicher die Antriebswärmeleistung für die ORC-Anlage in der Zeit bereitstellen, in der keine Abwärme verfügbar ist. Dadurch kann die ORC-Anlage auf ein mittleres Leistungsniveau ausgelegt werden, wobei Teillastverluste minimiert werden können. Zunächst wurde ein Abwärmeprofil aus einer Gießerei mit einer Zyklendauer von rund 200 Stunden betrachtet. Die Untersuchung hat ergeben, dass für dieses Abwärmeprofil ein Speicher mit einer Kapazität von rund 110 MWh benötigt würde. Um die Stromgestehungskosten im Vergleich zum Anlagenkonzept ohne Speicher zu senken, dürfte der spezifische Speicherpreis bei höchstens rund 5 €/kWh Speicherkapazität liegen. Zu diesem Preis lässt sich ein Speicher aktuell nicht realisieren, sodass die Wirtschaftlichkeit der Speicherintegration nicht gegeben ist. Für einen realistischeren Speicherpreise von 30 €/kWh konnte abgeschätzt werden, dass eine Speicherintegration unter vergleichbaren Bedingungen dann sinnvoll ist, wenn die Zyklendauer des Abwärmeprofils nicht mehr als rund 16 Stunden beträgt. Des Weiteren wurde der Einfluss der Entladung eines sensiblen Betonspeichers und eines latenten PCM-Speichers auf die erzielbare Stromausbeute untersucht. Im Falle des Betonspeichers zeigte sich, dass es für eine hohe Stromausbeute sinnvoll ist, die Prozessbedingungen so festzulegen, dass das im Speicher erwärmte Fluid bei der Entladung möglichst lange ein hohes Temperaturniveau halten kann. Dadurch lässt sich die mittlere elektrische Leistung erhöhen. Zur Potenzialabschätzung von Speicherkonzepten in der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung wurde der Strom- und Kältebedarf einer Klinik als Basis herangezogen. Es wurde angenommen, dass die Abgaswärme eines stromgeführten, verbrennungsmo-torischen Blockheizkraftwerks zur Kälteerzeugung in einer thermisch betriebenen Kältemaschine genutzt werden kann. Durch Einsatz eines Wärmespeichers kann eine gleichmäßige Antriebswärmeleistung bereitgestellt werden, da dieser Schwankungen im Abgaswärmeangebot ausgleicht. Die Kältemaschine kann in diesem Fall auf ein mittleres Leistungsniveau ausgelegt werden. Für einen variierenden Kältebedarf lässt sich damit allerdings nicht das Kälteangebot an den Kältebedarf anpassen. Hierzu wäre ein zusätzlicher Kältespeicher nötig. In weiteren Anlagenschaltungen wurde der Einsatz eines Wärmespeichers und eines Kaltwasserspeichers in Kombination mit einer kälteorientiert betriebenen Kältema-schine untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine Dampfstrahlkältemaschine in Kombi-nation mit dem PCM-Speicher auf Basis des Salzes KNO3-NaNO2-NaNO3 gut ge-eignet ist. Der Schmelzpunkt dieses Salzes liegt mit 142 °C in einem zum Betrieb der Dampfstrahlkältemaschine geeigneten Temperaturbereich. In einer wirtschaftlichen Betrachtung der drei genannten Speicherkonzepte erwies sich das Konzept mit einem Kaltwasserspeicher als besonders empfehlenswert. Durch einen Kaltwasserspeicher lässt sich ein größerer Teil der Kälteerzeugung auf die Nacht verschieben, in der ein geringer Kältebedarf vorliegt. Nachts kann die Käl-temaschine auf Grund niedrigerer Kühlwassertemperaturen effizienter arbeiten (Stei-gerung des COP). Dabei wird der Kaltwasserspeicher mit der überschüssig erzeugten Kältemenge beladen, die am Tag bei hohem Kältebedarf bereitgestellt werden kann. Im untersuchten Fall ließe sich durch diese Maßnahme die Dampfstrahlkältemaschi-ne auf eine maximale Kältelast von 83 kW auslegen, wobei ein Kaltwasserspeicher mit einer Kapazität von rund 420 kWh benötigt würde. Ohne Speicher müsste die Kältemaschine zur Deckung der Spitzenlast auf 130 kW ausgelegt werden. Im dritten untersuchten Anlagensystem wurde die industrielle Härtung von Kalk-sandsteinrohlingen in einer Sattdampfatmosphäre in Autoklaven untersucht. Eine vereinfachte Energiebilanz im Autoklav lieferte Erkenntnisse über die benötigte Sattdampfmenge in den einzelnen Härtephasen sowie über mögliche Speicherpoten-ziale. Es zeigte sich, dass für einen Sattdampfdruck von 16 bar eine Spitzenlast in der Verdampferleistung von 200 kW während rund 20 Minuten auftritt. Für einen Satt-dampfdruck von 19 bar beträgt die Spitzenlast dagegen rund 290 kW. Auf Grund der Prozessbedingungen könnte ein PCM-Speicher mit dem eutektischen Salzgemisch KNO3-NaNO3 geeignet sein, diese Spitzenlast abzudecken. Damit wäre es möglich, den Verdampfer kleiner zu dimensionieren und Leistungsschwankungen im Dampf-bedarf zu reduzieren. Der Verdampfer könnte beispielsweise für einem Sattdampf-druck von 16 bar und eine Rohlingdicke von 40 cm statt auf 480 kW auf 280 kW ausgelegt werden. Die im Rahmen dieser Arbeit erstellten Simulationsmodelle in MATLAB können für weitere Potenzialabschätzungen genutzt werden. Zur genaueren Auslegung eines Anlagenkonzeptes ist eine Erweiterung der Modelle nötig. Insbesondere müssen zeit-lich und räumlich diskretisierte Speichermodelle hinzugezogen werden, die Aussagen über den Zustand des Speichers während der Be- und Entladung zulassen und Wärmetransportlimitierungen berücksichtigen.